linux内核时间管理

1.节拍率

      系统定时器频率是通过静态预处理定义的，也就是HZ，在系统启动时按照Hz对硬件进行设置。体系结构不同，HZ的值也不同。内核在文件  中定义了HZ的实际值，节拍率就是HZ，周期为1/HZ。i386的节拍率为1000，其它体系结构（包括ARM）的节拍率多数都等于100。

2.jiffies

      全局变量 jiffies 用来记录自系统启动以来产生的节拍的总数。启动时，内核将该变量初始化为0，此后，每次时钟中断处理程序都会增加该变量的值。因为一秒内时钟中断的次数等于Hz，所以jiffes一秒内增加的值也就为Hz，系统运行时间以秒为单位计算，就等于jiffes/Hz。jiffes=seconds*HZ。

jiffes 定义在文件 linux/jiffs.h 中

extern unsigned long volatile jiffies；

u64 get_jiffies_64(void);

关键字volatile指示编译器在每次访问变量时都重新从主内存中获得，而不是通过寄存器中的变量别名访问，从而确保前面的循环能按预期的方式执行。

当jiffies变量的值超过它的最大存放范围后就会发生溢出，对于32位无符号长整型，最大取值为2^32-1，在溢出前，定时器节拍计数最大为4294967295，如果节拍数达到了最大值后还要继续增加的话，它的值会回绕到0。回绕会引起许多问题，下面的宏可以正确的处理节拍计数回绕的情况：

#define   time_after(unknown, known)     ((long)(konwn) - (long)(unknown) < 0)
 
#define   time_before(unknown, known)    ((long)(unknown) - (long)(known) < 0)
 
#define   time_after_eq(unknown, known)     ((long)(unknown) - (long)(known) >=0)
 
#define   time_before_eq(unknown, known)   ((long)(known) - (long)(unknown)>= 0)

3.xtime墙上时间/struct timespec

墙上时间，在系统启动过程中根据实时钟（RTC）芯片保存数据进行初始化，在系统运行期间由系统时钟维护并在合适的时刻和RTC芯片进行同步。墙上时间存储于系统核心变量xtime中，该变量记录了现实世界中的年月日格式的时间，以便内核对某些对象和事件作时间标记，如记录文件的创建时间、修改时间、上次访问时间，或者供用户进程通过系统调用来使用。

内核中使用struct timespec类型的变量xtime来记录墙上时间，该变量在文件src/kernel/time.c中的第564行声明如下：

struct timespec xtime __attribute__ ((aligned (16)));

其中，数据结构struct timespec在文件src/include/Linux/time.h中的第12行开始定义，代码如下：

struct timespec {       
time_t tv_sec;  /* seconds */ 
long  tv_nsec;  /* nanoseconds */ 
};

该结构用来表示当前时刻距UNIX时间基准1970年7月1日00:00:00的相对时间。其中成员变量tv_sec用来记录距标准时间1970/01/01/00:00:00的秒数，成员变量tv_nsec用来记录不足一秒的微秒值，其取值范围为0～999 999。

4.时间相关结构体

struct timespec
{
    __time_t tv_sec;        /* Seconds. */
    long int tv_nsec;       /* Nanoseconds. */
};

void getnstimeofday(struct timespec *tv)
功能:此函数用于返回当前内核时间,该时间是距离1970开始的秒和纳秒
参数: timespec结构体指针
头文件:#include

 

struct timeval
{
    __time_t tv_sec;       /* Seconds. */
    __suseconds_t tv_usec; /* Microseconds. */
};

tv_sec：存放自1970年1月1日0时（UTC时间）以来经过的秒数。__kernel_time_t最终定义成了long型，也就是在32位系统上是32位长，而在64位系统上是64位长。
tv_usec：__kernel_suseconds_t实际最终也被定义成了long型，存放自上一秒开始经过的微秒（us）数。
所以，这个结构体其实和timespec结构体大同小异，tv_sec存的值是一样的，而只需要将timespec中的tv_nsec除以1000就是timeval中的tv_usec。

void do_gettimeofday(struct timeval *tv)
功能:此函数用于返回当前内核时间,该时间是距离1970开始的秒和微妙
参数: timeval结构体指针
头文件:#include
 

ktime_t
在Linux的时间子系统内，一般使用ktime_t来表示时间，其定义如下（代码位于include/linux/ktime.h）：

typedef s64	ktime_t;
就是一个非常简单的64位带符号整数，表示的时间单位是纳秒。

 

例子：

#include  //需要包含的头文件
struct timeval tstart;  //结构体
do_gettimeofday(&tstart);//获取时间
//打印秒、微妙值
printk("%s, stime: %lds, utime: %ldus\n"\
		, __func__, tstart.tv_sec, tstart.tv_usec);

 struct timespec ts;
    ts = current_kernel_time();
    printk(KERN_ALERT "%ld %ld\n", ts.tv_sec, ts.tv_nsec);

4.延时操作

4.1struct timer_list定时器

见博文https://blog.csdn.net/zjhqlmzldx/article/details/107458320。

4.2忙等待

unsigned long delay = jiffies + 5*HZ;
 
while(time_before(jiffies, delay))

cond_resched() 函数将调度一个新程序投入运行，但它只有在设置完need_resched标志后，才能生效。延迟执行不管在哪种情况下都不应该在持有锁或禁止中断时发生。

4.3短延迟

有时内核代码（通常也是驱动程序）不但需要很短暂的延迟（比时钟节拍还短）而且还要求延迟的时间按很精确。这种情况多发生在和硬件同步时，内核提供了两个可以处理微秒和毫秒级别的延迟函数，它们都定义在中，可以看到它们并不使用 jiffies:

void udelay(unsigned long usecs)
 
void mdelay(unsigned long msecs)

4.4schedule_timeout()

更理想的延迟执行方法是使用 schedule_timeout() 函数，用法如下：

set_current_state(TASK_INTERRUPTIBLE);      /* 将任务设置为可中断睡眠状态   */
 
schedule_timeout(s *HZ);        /* 小睡一会，s秒后唤醒   */

唯一的参数是延迟的相对时间，单位为 jiffies。上例中将相应的任务推入可中断睡眠队列（注意了，这里的进入睡眠队列，就意味着可以去执行其他任务了），睡眠s秒。在调用schedule_timeout()函数前必须首先将任务设置成TASK_INTERRUPTILE和TASK_UNINTERRUPTIBLE面两种状态之一，否则任务不会睡眠。调用代码绝对不能持有锁（因为持有锁的任务是不能睡眠的）。

 当任务被重新调度时，将返回代码进入睡眠前的位置继续执行。